Mēs esam dzirdējuši par kvantu datoriem vismaz dažus gadus. Bet kas tas ir? Kam paredzēts kvantu dators? Šodien tas viss ir par to vienkāršiem vārdiem.
Kvants dators ir izgudrojums, uz kuru daudzi pētnieki liek lielas cerības, sagaidot, ka tam būs pozitīva ietekme uz zinātnes attīstību. Tomēr ir ļoti grūti saprast, kā darbojas kvantu fizika. Daži fiziķi pat šaubās, vai pašreizējos "kvantu datorus" tā vajadzētu saukt. Lielākais šķērslis kvantu skaitļošanas izmantošanā ir lielais kļūdu skaits, ko ietekmē pat vismazākās izmaiņas kvantu mašīnu vidē. Līdz šim mums vēl nav izdevies pilnībā apmierinoši izmantot kvantu bitu potenciālu. Šodien mēs centīsimies noskaidrot, kas ir īpašs šajos kvantu bitos?
Vai kvantu datori pastāv?
Jebkura īsta zinātnieka būtība ir neuzticēties un visu laiku pārbaudīt. Es atcerējos tieši šos vārdus, kad vēl biju students. Un vairāk nekā vienu reizi viņš pārliecinājās par šīs frāzes pareizību. Tas attiecas arī uz "kvantu datoriem". Kāpēc es citēju šo datoru nosaukumus? Noskaidrosim.
Kvantu datori ir ļoti sarežģīta tēma, bet es centīšos to padarīt pēc iespējas vienkāršāku un runāt par tiem pieejamā veidā. Pat šodien zinātnieki, fiziķi un inženieri var apspriest šķietami vienkāršo jautājumu par to, vai kaut kur pasaulē pastāv funkcionējošs kvantu dators. "Bet kā galu galā tādi uzņēmumi kā IBM lepojas ar kvantu datoriem!" - kāds var teikt. Un viņam būs taisnība. Joprojām ir atklāts jautājums, vai IBM patiešām ir izveidojis kvantu datoru vai vienkārši nosaucis savu ierīci par "kvantu datoru".
Kad kāds no maniem draugiem lūdz man vienkāršiem vārdiem paskaidrot, ar ko kvantu datori atšķiras no datoriem, pie kuriem esam pieraduši, es parasti izmantoju vienkāršu salīdzinājumu. Ja mūsu klasiskie datori (piemēram, dators, klēpjdatorus ka viedtālruņi) ir sveces, tad kvantu datori ir spuldzes. Abu mērķis ir viens – kvēlspuldzēm un svecēm tā ir gaismas izstarošana, datoriem – aprēķiniem. Taču abos gadījumos mērķis tiek sasniegts pavisam savādāk un rezultāts ir atšķirīgs. Vienkārši sakot, kvantu dators nav tikai moderno datoru uzlabota versija, tāpat kā spuldze nav tikai lielāka svece. Jūs nevarat izveidot spuldzi, padarot sveces arvien labākas. Spuldze ir atšķirīga tehnoloģija, pamatojoties uz dziļāku zinātnisku izpratni. Tāpat kvantu dators ir jauna veida ierīce, kuras pamatā ir kvantu fizika, un tāpat kā spuldze mainīja sabiedrību, kvantu datori var ietekmēt daudzus mūsu dzīves aspektus, tostarp drošības vajadzības, veselības aprūpi un pat internetu.
Tātad, ja paliekam pie datoru salīdzināšanas ar spuldzēm, tad "kvantu Džozefs Gulbis" (pirmās funkcionālās kvēlspuldzes radītājs) vēl nav parādījies, un līdz šim zinātne cenšas, vienkāršiem vārdiem sakot, izveidot. "kaut kas sarkans un karsts", pārbaudot, cik daudz tas spīd. Mēs zinām dažus kvantu datoru darbības teorētiskos pamatus, taču to attīstībai ir milzīgi šķēršļi, kas joprojām ir jāatrisina.
Pētniecības centri un uzņēmumi visā pasaulē veic turpmākus testus un pētījumus, un eksperti kvantu fizikas jomā ir vienisprātis, ka pilnībā funkcionējošu kvantu mašīnu radīšana, kuras mēs varam izmantot, lai sasniegtu mērķus, kurus šajā posmā nav iespējams sasniegt, acīmredzot pāries desmitiem. gadiem.
Es uzskatu, un daudzi zinātnieki man piekritīs, ka mašīnas, kuras pašlaik sauc par kvantu datoriem, nemaz nav pelnījušas šādu nosaukumu. Viņiem trūkst iespēju veikt aprēķinus vai atrisināt problēmas, kuras mēs nevaram atrisināt parastā, klasiskā veidā.
Mēs vēl neesam sasnieguši tādu mūsu tehnoloģiskās attīstības pakāpi, lai mēs spētu izveidot kvantu mašīnu, kas atrisinātu problēmas, kas šobrīd nav pieejamas klasiskajiem datoriem. Protams, Google vai IBM runā par dažiem vai citiem veiktiem aprēķiniem, kurus būtu grūti izdarīt klasiskā veidā, bet šobrīd tie nepārliecina.
Lasi arī: Ķīna arī vēlas izpētīt kosmosu. Tātad, kā viņiem klājas?
Kas ir kvants?
Kas vispār ir "kvants"? Tas nav fizisks objekts. Termins "kvants" fizikā tiek lietots, lai aprakstītu kaut ko mazāko iespējamo daļu. Tātad jums var būt "spēka kvants", "laika kvants" vai "daļiņu kvants". Ejot šo ceļu, mēs nonāksim pie tādiem terminiem kā "kvantu fizika" un "kvantu mehānika", tas ir, zinātnes nozarēm, kas nodarbojas ar mazāko iespējamo mijiedarbību vai sistēmām - atomu un pat atsevišķu kvarku līmenī.
Un tagad mēs esam sasnieguši kubītu (kvantu bitu), tas ir, "mazāko un nedalāmo kvantu informācijas vienību". Tajā pašā laikā mēs nonākam arī pie pirmā punkta, kas stāsta par līdzībām un atšķirībām, kā klasiskie datori (izmantojot bitus) un kvantu datori (izmantojot kubitus) veic aprēķinus.
Klasiskajos datoros katra informācija tiek glabāta kā vieninieku un nulles secība. Šādu informāciju uztver un interpretē dators, konsole, viedtālrunis, viedais pulkstenis ka viedais televizors, līdzīgi darbībām, kas tiek veiktas ar šo informāciju. Neatkarīgi no tā, vai mēs skatāmies atvaļinājuma fotoattēlus, tērzējam ar draugiem, spēlējam jaunāko spēli vai veicam uzlabotus kriptogrāfiskos aprēķinus, viss notiek binārā sistēmā, kurā ir 0 vai 1 un nekas cits. Patiesībā tas ir vairāk kā klasisks jā vai nē.
Cik neefektīva ir šī sistēma, var redzēt, kad sasniegsim tās robežas. Un neatkarīgi no tā, vai viedtālruņos pietrūkst vietas kārtējam selfijam vai arī zinātnieki mēģina izveidot matemātiskos modeļus pandēmijas attīstībai, problēma ir tā, ka ir pārāk daudz nulles un vieninieku, kā arī resursu to glabāšanai un iespēju aprēķināt, tie nav pieejami.
Qubit atrisina šo problēmu. Šajā informācijā tiek izmantotas kvantu fizikas īpašības, kas ļauj tai palikt tā sauktajā superpozīcijā. Kubitam var būt jebkura vērtība no 0 līdz 1. Tam ir visa spektra īpašības, un tam var būt tādas vērtības kā 15 procenti nulle un 85 procenti viens. Teorētiski tas ļauj ietaupīt daudz vairāk informācijas vai paātrināt aprēķinus. Bet tajā pašā laikā rodas daudz problēmu, kuras ir grūti kontrolēt un pat saprast.
Vēl viena kvantu datoru iezīme, kas ļauj papildus mērogot skaitļošanas jaudu, ir kvantu sapīšanās izmantošana. Šis ir stāvoklis, kad divi kubiti ir savienoti viens ar otru, un katru reizi, kad mēs novērojam vienu no tiem, otrs būs tieši tādā pašā stāvoklī. Sapīšanās ļauj kubitus sagrupēt vēl efektīvākās vienībās informācijas ierakstīšanai un apstrādei.
Lasi arī: Kas ir biohakeri un kāpēc viņi brīvprātīgi čipo?
Kvantu aprīkojums
Kvantu dators sastāv no trim galvenajām daļām: zonas kubitu glabāšanai, metodes signālu pārraidīšanai uz kubitiem un klasiskā datora programmas palaišanai un instrukciju nosūtīšanai.
Kvantu materiāls, kas veido kubitus, ir delikāts un ārkārtīgi jutīgs pret vides ietekmi. Dažām kubitu uzglabāšanas metodēm vienība, kurā atrodas kubiti, tiek turēta temperatūrā, kas ir tuvu absolūtai nullei, lai palielinātu to saskaņotību. Citu veidu kubitu uzglabāšanai tiek izmantota vakuuma kamera, lai samazinātu vibrāciju un stabilizētu kubitus.
Ir dažādas metodes signālu pārraidīšanai uz kubitiem, piemēram, mikroviļņiem, lāzeriem un elektrisko spriegumu.
Lai nodrošinātu normālu kvantu datoru darbību, ir jāatrisina daudzas problēmas. Galvenā kvantu datoru problēma ir kļūdu labošana, un mērogošana (vairāk kubitu pievienošana) vēl vairāk palielina to biežumu. Šo ierobežojumu dēļ kvantu personālais dators uz jūsu galda joprojām ir tāla nākotne, taču komerciāli kvantu datori var kļūt pieejami tuvākajā nākotnē. Parunāsim par to sīkāk.
Kvantu datoru problēmas
Tomēr kvantu datoriem ir viena milzīga problēma. Tas ir, zinātniekiem ir milzīgas problēmas ar to izmantošanu, jo, pateicoties to īpašajām īpašībām, kubitiem ir nepieciešama pietiekami mierīga vide, lai tie varētu precīzi nolasīt no tiem jebkādus datus. Katrs, pat mazākais pārkāpums padarīs neiespējamu precīzu informācijas nolasīšanu.
Klasisko datoru gadījumā līdzīgai problēmai bija svarīga loma arī agrāk, taču mūsdienās tā ir tik niecīga, ka bieži vien tiek ignorēta pat akadēmiskajā zinātnē. Mēs runājam par kļūdu līmeni. Tas ir indikators, kas nosaka, kāda informācijas bitu vai kubitu daļa var tikt bojāta. Tas var notikt, piemēram, pārsprieguma vai citu traucējumu laikā.
Klasiskajām ierīcēm kļūdas varbūtība ir aptuveni viena pret 1017 mazliet Kvantu datoru gadījumā tas joprojām ir viens no vairākiem simtiem. Un tas ir situācijā, kad kvantu datori strādā visizolētākajos apstākļos un temperatūrā -272 grādi pēc Celsija, t.i., nedaudz virs absolūtās nulles. Jebkuras temperatūras svārstības, izmaiņas elektromagnētiskajā laukā un pat kustība iznīcina visu aprēķinu.
Vēl viena problēma ir kvantu stāvokļu "nestabilitāte". Katru reizi, kad mēs izmērām vai vēlamies izjaukt kvantu stāvokli, tas atgriežas vienā no divām pozīcijām - nullei un vienai. Šajā gadījumā kvantu stāvoklis samazināsies. Šo procesu sauc par kvantu dekoherenci.
Padomājiet par to šādi: kvantu dators ir prasmīgs matemātiķis, kas veic sarežģītus aprēķinus, un tā rezultāti ir no 0 līdz 1 miljonam. Mēs savukārt esam bērns, kurš saprot tikai to, ka kaut kā var būt par daudz vai par maz. Ikreiz, kad matemātiķim varētu būt atšķirīgi rezultāti, piemēram, 356 670,23 vai 1 846 662, saskaņā ar mūsu izpratni par pasauli katrs no šiem rezultātiem tiks klasificēts kā daži (0) vai daudzi (1), nedefinējot īpašu atšķirību starp tiem. Tā ir kvantu dekoherence. Vienīgais veids, kā veikt pareizu aprēķinu, ir garantēt matemātikas darbu pirms tā pabeigšanas.
Lasi arī: Ko neatlaidība un atjautība darīs uz Marsa?
Kam mēs izmantosim kvantu datorus?
Mūsdienās rodas jautājums, kam var izmantot kvantu datorus, tāpat kā pirms 20 gadiem, kam var izmantot viedtālruni. Protams, daži plāni un pieņēmumi jau ir, taču interesantākie kubitu izmantošanas virzieni, iespējams, kļūs skaidrāki, kad kvantu datori kļūs plaši izplatīti.
Kriptogrāfija ir viena no populārākajām jomām, kurā visbiežāk tiek izmantota kvantu skaitļošana. Lieta tāda, ka tā būs metode, kā ļoti drošā veidā pārraidīt informāciju, un drošība nav balstīta uz skaitļošanas procesu sarežģītību, bet gan uz fizikas likumiem, kas dos pārliecību, ka atsevišķas lietas vienkārši nav iespējamas. Un šajā brīdī nebūs iespējams klausīties, izspiegot, kapāt.
Drošību šajā gadījumā garantē kubitu pašas fizikālās īpašības, kuras, kā jau iepriekš paskaidroju, pārstāj parādīt superpozīcijas pazīmes, tiklīdz tās tiek novērotas. Tātad jebkurš mēģinājums pārtvert vai pat nokopēt kodēto ziņojumu to vienkārši iznīcinās.
Kvantu datori var arī ļaut mums labāk izprast dabiskos procesus. Superpozīcijas "haoss" daudz labāk atspoguļo ceļu, piemēram, DNS mutācijas un līdz ar to arī slimību un evolūcijas attīstību. Kvantu skaitļošana jau šodien tiek izmantota jaunu zāļu radīšanai.
Varbūt ir jēga runāt par kvantu datoru izmantošanu datu teleportēšanai. Jā, tieši datu un, iespējams, personas teleportēšana. Mēs varēsim teleportēt informāciju no vietas uz vietu, to fiziski nepārsūtot. Tas izklausās pēc fantāzijas, bet tas ir iespējams, jo šī kvantu daļiņu plūstamība var sapīties laikā un telpā, tā ka izmaiņas vienā daļiņā var ietekmēt citu, un tas rada kanālu teleportācijai. Tas jau ir pierādīts laboratorijās un varētu būt daļa no nākotnes kvantu interneta. Mums vēl nav šāda tīkla, taču daži zinātnieki jau strādā pie šīm iespējām, imitējot kvantu tīklu kvantu datorā. Viņi jau ir izstrādājuši un ieviesuši jaunus interesantus protokolus, piemēram, teleportāciju starp tīkla lietotājiem un efektīvu datu pārraidi un pat drošu balsošanu.
Jāteic arī, ka ar kvantu datoriem vajadzētu simulēt dažādas situācijas un rast risinājumus problēmām, tostarp medikamentiem un vakcīnām. Piemēram, pandēmiju, piemēram, koronavīrusa, laikā, kad nepieciešams ātrāks aprēķins un iespēju aprēķināšana. Šeit var izmantot kvantu modelēšanas iespēju, ko nevar veikt klasiskajā datorā. Kad parādās jauna slimība, ārstēšanas atrašanas process ilgst aptuveni 15 gadus un var izmaksāt līdz 2,6 miljardiem USD. Dažu slimību gadījumā ir nepieciešams filtrēt caur miljoniem molekulu, lai identificētu tikai simtiem daudzsološu indivīdu, kuri varētu kļūt par donoriem. Pēc tam testēšanas laikā aptuveni 99% molekulu tiek nomestas cita starpā nepareizas uzvedības prognozēšanas un paraugu ņemšanas ierobežojumu dēļ. Šeit priekšplānā nonāktu kvantu datori.
Un tās joprojām ir tikai dažas no brīnišķīgajām idejām par to, ko var sasniegt, izmantojot kvantu fiziku. Šobrīd mums zināmā mērā izdodas pieradināt viņas kaprīzo raksturu, taču visas norises vēl ir sākotnējā līmenī. Līdz īsta kvantu datora izveidei un tā masveida pielietošanai vēl ir diezgan tālu, taču progress nestāv uz vietas. Tāpēc, iespējams, pēc kādiem desmit gadiem jūs šo rakstu lasīsiet ar kvantu datora palīdzību un smaidīsiet piekāpīgi.
Lasi arī:
Çoch sağ olun, muellimin bize mūsdienu atmiņas ierīces